毛细管电泳实验讲义.docx

毛细管电泳实验讲义
实验目的:1 进一步理解毛细管电泳的基本原理;
2 熟悉毛细管电泳仪器的构成;
3 了解影响毛细管电泳分离的主要操作参数。
实验原理:

毛细管电泳(CE)是以电渗流(EOF)为驱动力,以毛细管为分离通道,依据样品中组分之间淌度和分配行为上的差异而实现分离的一种液相微分离技术。离子在自由溶液中的迁移速率可以表示为:
n=mE                  (1)
式中n是离子迁移速率,m为电泳淌度,E为电场强度。对于给定的荷电量为q的离子,淌度是其特征常数,它由离子所受到的电场力(FE)和通过介质所受到的摩擦力(FF)的平衡所决定。
FE=qE                             (2)
对于球形离子:
FF=-6phrn                           (3)
式中h为介质粘度,r为离子的流体动力学半径。在电泳过程达到平衡时,上述两种力方向相反,大小相等:
qE = -6phrn                     (4)
将式(4)代入式(1),得:
                  (5)
因此,离子的电泳淌度与其荷电量呈正比,与其半径及介质粘度呈反比。带相反电荷的离子其电泳淌度的方向也相反。需要指出,我们在物理化学手册中可以查到的离子淌度常数是绝对淌度,即离子带最大电量时测定并外推至无限稀释条件下所得到的数值。在电泳实验中测定的值往往与此不同,故我们将实验值称为有效淌度(me)。有些物质因为绝对淌度相同而难以分离,但我们可以通过改变介质的pH值,使离子的荷电量发生改变。这样就可以使不同离子具有不同有效淌度,从而实现分离。下文中所提到的电泳淌度除特别说明外,均指有效淌度。

电渗流(EOF)是CE中最重要的概念,指毛细管内壁表面电荷所引起的管内液体的整体流动,来源于外加电场对管壁溶液双电层的作用。
在水溶液中多数固体表面根据材料性质的不同带有过剩的负电荷或正电荷。就石英毛细管而言,表面的硅羟基在pH大于3以后就发生明显的解离,使表面带有负电荷。为了达到电荷平衡,溶液中的正离子就会聚集在表面附近,从而形成所谓双电层,如图1所示。这样,双电层与管壁之间就会产生一个电位差,叫做Zeta电势。但毛细管两端施加一个电压时,组成扩散层的阳离子被吸引而向负极移动。由于这些离子是溶剂化的,故将拖动毛细管中的体相溶液一起向负极运动,这便形成了电渗流。需要指出,很多非离子型材料如聚四氟乙烯和聚丙烯等材料表面也可以产生电渗流,原因可能是其表面对阴离子的吸附。
电渗流的大小可用速率和淌度来表示:
          (6)
          (7)
式中vEOF为电渗流速率,μEOF为电渗淌度,ζ为Zeta电势,ε为介电常数。
Zeta电势主要取决于毛细管表面电荷的多寡。一般来说,pH越高,表面硅羟基的解离程度越大,电荷密度越大,电渗流速率就越大。
除了受pH的影响外,电渗流还与表面性质(硅羟基的数量、是否有涂层等)、溶液离子强度有关,双电层理论认为,增加离子强度可以使双电层压缩,从而降低Zeta电势,减小电渗流。此外,温度升高可以降低介质粘度,增大电渗流。电场强度虽然不影响电渗淌度,但却可改变电渗流速率。显然,电场